ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для преобразования постоянных напряжений, например для питания высоковольтных цепей.

Известны преобразователи напряжения с разделительным трансформатором и внешним возбуждением. Один из вариантов такого преобразователя содержит задающий генератор, подключенный между источником входного напряжения и общей шиной, биполярный транзистор, база которого подключена к выходу задающего генератора, а эмиттер - к общей шине, трансформатор, первичная обмотка которого подключена между источником входного напряжения и коллектором транзистора, и выпрямитель, подключенный ко вторичной обмотке трансформатора. При замене биполярного транзистора на МДП-транзистор удается повысить частоту преобразования и улучшить массогабаритные показатели. Однако в обоих случаях используется относительно небольшое рабочее напряжение, ограничиваемое максимально-допустимым напряжением транзистора, что и является основным недостатком аналогов.

Наиболее близким техническим решением является преобразователь напряжения, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого первым своим выводом подключена к клемме источника входного напряжения, МДП-транзистор, сток которого подключен ко второму выводу первичной обмотки трансформатора, а затвор - к выводу управления, конденсатор, первая обкладка которого подключена к подложке МДП-транзистора, и три последовательно включенных диода, катод первого из которых подключен к стоку МДП-транзистора, а анод третьего диода подключен к истоку МДП-транзистора, второй обкладке конденсатора и общей шине. Такой преобразователь имеет повышенную надежность, но может работать лишь при относительно небольших рабочих напряжениях, определяемых максимальным напряжением стока МДП-транзистора, что и является основным недостатком прототипа. Если для повышения рабочих напряжений использовать последовательное включение силовых МДП-транзисторов, то необходимо их симметрировать с помощью шунтирующих элементов (например, резисторов). Наличие шунтирующих элементов существенно снижает КПД устройства.

Задача изобретения - повышение рабочего напряжения преобразователя при сохранении значительных величин КПД, при этом достигается требуемый технический результат путем последовательного включения основного и дополнительного МДП-транзисторов в преобразователе напряжения, содержащем трансформатор, первичная обмотка которого первым своим выводом подключена к клемме источника входного напряжения, и МДП-транзистор, сток которого подключен ко второму выводу первичной обмотки трансформатора, а затвор - к клемме управления за счет введения трех дополнительных МДП-транзисторов и четырех резисторов, первый вывод первого из которых подключен к истоку с подложкой основного МДП-транзистора и стоку первого дополнительного МДП-транзистора, затвор которого подключен к затвору основного МДП-транзистора, а подложка подключена к первому к первому выводу второго резистора, второй вывод которого подключен к стоку третьего дополнительного МДП-транзистора, исток и подложка которого подключены к истоку первого дополнительного МДП-транзистора, общей шине, первому выводу третьего резистора и истоку с подложкой второго дополнительного МДП-транзистора, в цепь стока которого включен четвертый резистор, затвор второго дополнительного МДП-транзистора подключен ко вторым выводам первого и третьего резисторов, а его сток подключен к затвору третьего дополнительного МДП-транзистора.

За счет последовательного включения основного и первого дополнительного МДП-транзисторов вдвое увеличивается максимальное рабочее напряжение устройства. Симметрирование этих МДП-транзисторов осуществляется за счет электронного регулирования общего сопротивления, включенного в цепь подложки первого дополнительного МДП-транзистора. Отсутствие шунтирующих элементов (первый и третий резисторы имеют большие номиналы сопротивлений) позволяет получить достаточно высокие значения КПД.

На чертеже представлена принципиальная схема преобразователя напряжения, содержащая трансформатор 1, четыре МДП-транзистора с n-каналом 2-5, четыре резистора 6-9. Желательно, чтобы МДП-транзистор 5 имел встроенный канал, а МДП-транзисторы 2, 3 и 4 могут иметь как индуцированный, так и встроенный канал. Клемма источника входного напряжения U_вх подключена к первому выводу первичной обмотки трансформатора 1, второй вывод которой подключен к стоку МДП-транзистора 2, затвор которого подключен к затвору МДП-транистора 3 и клемме управления U_упр. Исток и подложка МДП-транзистора 2 подключены к первому выводу резистора 6 и стоку МДП-транзистора 3, исток которого подключен к истокам и подложкам МДП-транзисторов 4 и 5, первому выводу резистора 8 и общей шине. Подложка МДП-транзистора 3 подключена к первому выводу резистора 7, второй вывод которого подключен к стоку МДП-транзистора 5. Первый вывод резистора 9 подключен к стоку МДП-транзистора 4 и затвору МДП-транзистора 5. Вторые выводы резисторов 6 и 8 подключены к затвору МДП-транзистора 4.

На клемму управления необходимо подавать управляющие импульсы положительной полярности U_упр (как и в прототипе) с блока управления (не показан). Выводы от вторичной обмотки трансформатора 1 подключены к соответствующим клеммам.

Устройство работает следующим образом.

При поступлении на затворы силовых МДП-транзисторов 2 и 3 положительного импульса U_упр они открываются и протекает ток в первичной обмотке трансформатора 1. При закрывании МДП-транзисторов 2 и 3 цепь для протекания тока обрывается. В результате (как в аналогах и прототипе) на выходных клеммах устройства формируется переменное напряжение заданной величины.

В устройстве используется последовательное включение двух силовых МДП-транзисторов 2 и 3, для надежной работы которых в закрытом состоянии необходимо, чтобы падения напряжения на каждом из них были примерно равны. Для такого выравнивания напряжений служат (делитель, выполненный на резисторах 6 и 8, инвертирующий каскад, выполненный на МДП-транзисторе 4 и резисторе 9, и цепь регулируемого сопротивления, состоящая из МДП-транзистора 5 и резистора 7, подключенная к подложке МДП-транзистора 3.

С помощью регулируемого сопротивления, подключенного к подложке МДП-транзистора 3, осуществляется управление сопротивлением МДП-транзистора 3, а следовательно, и падением напряжения на нем. Это происходит следующим образом. Обратный ток p-n-перехода сток-подложка МДП-транзистора 3 протекает по резистору 7 и МДП-транзистору 5 и создает на них падение напряжения, которое знаком "плюс" приложено к подложке p-типа. В результате будет несколько приоткрыт p-п-переход исток-подложка МДП-транзистора 3, следствием чего станет уменьшение сопротивления МДП-транзистора 3. Изменяя величину регулируемого сопротивления в цепи подложки МДП-транзистора 3, нетрудно осуществить выравнивание падений напряжения между МДП-транзисторами 3 и 4. При этом необходимо, чтобы в исходном состоянии сопротивление закрытого МДП-транзистора 3 было несколько больше сопротивления закрытого МДП-транзистора 2, что достигается подбором МДП-транзисторов и номиналом резистора 7. Делитель напряжения, выполненный на высокоомных резисторах 6 и 8, призван совместно с МДП-транзистором 4 и резистором 9 обеспечить необходимый режим работы.

Например, в процессе работы устройства напряжение на МДП-транзисторе 3 возрастает, тогда возрастает напряжение на затворе МДП-транзистора 4, а напряжение на затворе МДП-транзистора 5 уменьшается. При этом увеличивается сопротивление канала МДП-транзистора 5, чем обеспечивается повышение общего сопротивления в цепи подложки МДП-транзистора 3, а следовательно, и снижение сопротивления закрытого МДП-транзистора 3. В результате происходит уменьшение напряжения на закрытом МДП-транзисторе 3, т. е. осуществляется выравнивание напряжений.

Изобретение позволяет повысить в два раза рабочее напряжение при отсутствии традиционных шунтирующих элементов (резисторы 6 и 8 имеют большие номиналы и не шунтируют МДП-транзистор 3), чем обуславливается сохранение высоких значений КПД. Кроме того, при сохранении заданного рабочего напряжения изобретение позволяет заменить один высоковольтный МДП-транзистор на два последовательно включенных относительно низковольтных, имеющих существенно меньшие сопротивления канала (потерь) r_к. Например, можно заменить один МДП-транзистор КП701 с r_к = 2 Ом на два МДП-транзистора КП912 с r_к = 0,1 Ом. В результате достигается повышение КПД.

Экспериментальная проверка преобразователя напряжения была проведена на МДП-транзисторах КП701, КП912, КП301 и лабораторных образцах. По сравнению с аналогами и прототипом в предлагаемом устройстве удается обеспечить надежную работу двух последовательно включенных силовых МДП-транзисторов, что позволяет вдвое увеличить рабочее напряжение, а при сохранении величины рабочего напряжения - повысить КПД. Так, при U_вх = 150 В заменой одного МДП-транзистора КП701 на два КП912 удалось увеличить КПД с 0,8 до 0,91. (56) Ромаш Э. М. Высоковольтные транзисторные преобразователи. М. : Радио и связь, 1968, с. 142, р. 5, 6, там же с. 32.

Авторское свидетельство СССР N 1667208, кл. Н 02 М 3/335, 1991.

Использование: для преобразования постоянных напряжений, например для питания высоковольтных цепей. Сущность изобретения: в преобразователе напряжения, содержащем трансформатор /1/, первичная обмотка которого первым выводом подключена к выводу источника входного напряжения, и основной МДП-транзистор /2/, сток которого подключен ко второму выводу первичной обмотки трансформатора, а затвор - к клемме управления, введены три дополнительных транзистора /3, 4, 5/ и четыре резистора /6, 7, 8, 9/. Последовательное соединение транзисторов /2, 3/ необходимо для повышения максимального рабочего напряжения. Симметрирование этих транзисторов осуществляется за счет электронного регулирования общего сопротивления, выполненного на дополнительном транзисторе /5/ и резисторе /7/. Таким образом достигается повышение КПД. 1 ил.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого первым своим выводом подключена к выводу источника входного напряжения, и основной МДП-транзистор, сток которого подключен к второму выводу первичной обмотки трансформатора, а затвор - к выводу управления, отличающийся тем, что в него введено три дополнительных МДП-транзистора и четыре резистора, первый вывод первого из которых подключен к истоку с подложкой основного МДП-транзистора и стоку первого дополнительного МДП-транзистора, затвор которого подключен к затвору основного МДП-транзистора, а подложка подключена к первому выводу второго резистора, второй вывод которого подключен к стоку третьего дополнительного МДП-транзистора, исток которого подключен к истоку первого дополнительного МДП-транзистора, общей шине, первому выводу третьего резистора и истоку с подложкой второго дополнительного МДП-транзистора, в цепь стока которого подсоединен к выводу источника питания включен четвертый резистор, затвор второго дополнительного МДП-транзистора подключен к вторым выводам первого и третьего резисторов, а его сток подключен к затвору третьего дополнительного МДП-транзистора.